Wat zijn de meest geschikte fotosynthetisch beschikbare straling (PAR) en fotosynthetisch bruikbare straling (PUR) voor verschillende planten/algen in de water- of algenkweek?

一, Verschillen in de lichtbehoeften van verschillende groepen waterplanten en hoe je PUR beter kunt laten werken
1. De positieve waterplanten hebben veel licht nodig en werken goed met zowel rood als blauw licht.
Om hun vorm en levendige lichaamskleur te behouden, hebben positieve waterplanten zoals rode vlinders en paleisgras veel licht nodig. Het beste PAR-bereik hiervoor is 150–300 μmol/m²/s, hoewel de PUR-efficiëntie met 40% stijgt wanneer 660 nm rood licht en 450 nm blauw licht samen worden gebruikt. Het ADA Aquatic Plant Laboratory in Duitsland maakt bijvoorbeeld gebruik van een LED-systeem om een ​​verhouding rood licht: blauw licht van 3:1 te verkrijgen. Hierdoor groeien positieve waterplanten 28% meer dan gewone fluorescentielampen. Tegelijkertijd wordt 6500K wit licht gebruikt om de gaten in de 550 nm groenlichtband op te vullen. Dit maakt het gemakkelijker voor licht om dieper water te bereiken en lost het probleem van lichtverlies in diepwatergebieden op.
2. Zwakke lichtaanpassing en volledige spectrumbalancering van negatieve waterplanten
Negatieve waterplanten, zoals Iron Crown en Moss, kunnen gedijen in het PAR-bereik van 20–70 μmol/m²/s. De PUR-efficiëntie is echter afhankelijk van volledige spectrale dekking. Takagi Aqua, een Japans bedrijf, gebruikte nanocoatingtechnologie om de LED-spectra te verbeteren. Ze slaagden erin een energieverhouding van 1:2 te verkrijgen tussen de blauwlichtband (400–500 nm) en de roodlichtband (600–700 nm). Met behulp van groen licht van 550 nm werd de kleurtemperatuur van het water ook gewijzigd naar 6500 K, waardoor het leek op een natuurlijke stroomverlichtingsinstelling. Hierdoor werden negatieve waterplanten 35% meer chlorofyl-rijker en werd de groei van algen met 60% vertraagd.
3. Lichtcompensatie in de overgangszone van waterplanten
Waterplanten, zoals wateruien en riet, moeten de PAR/PUR-instellingen voortdurend veranderen omdat ze groeien in een gebied waar water en land samenkomen. Volgens onderzoek van de Shanghai Ocean University groeit het onderwatergedeelte van de plant het beste bij een PAR van 100–150 μmol/m²/s, terwijl het boven-watergedeelte veel licht nodig heeft van 200–300 μmol/m²/s. LED-arrays met verstelbare hoek worden gebruikt in de techniek, en het Internet of Things-systeem verandert automatisch de verlichtingsmodus op basis van de groeifase van de plant. 450 nm blauw licht wordt bijvoorbeeld vooral gebruikt tijdens de zaailingfase (PUR is verantwoordelijk voor 60%) om de wortelgroei te stimuleren, en 660 nm rood licht wordt vooral gebruikt tijdens de volwassen fase (PUR is verantwoordelijk voor 75%) om de bloei te stimuleren.
2, Foto-ecologische drempel en PUR-screening voor groeiende algen
1. De lichtbehoeften van microalgen zijn per soort verschillend.
Verschillende soorten algen reageren heel verschillend op PAR/PUR:
De beste PAR voor Chlorella vulgaris is 50–150 μmol/m²/s, terwijl de beste PUR-efficiëntie wordt behaald wanneer blauw licht op 450 nm en rood licht op 660 nm samen worden gebruikt. Een fotobioreactorexperiment aan de Qingdao Ocean University toonde aan dat het gebruik van een verhouding van 1:1 blauw en rood licht de biomassa van Chlorella 2,3 keer verhoogde in vergelijking met het kweken onder wit licht, en de astaxanthineconcentratie met 40%.
Spirulina is een alg die veel licht kan verdragen. De verzadigde PAR bedraagt ​​meer dan 500 μmol/m²/s, maar de PUR-efficiëntie is het beste in de roodlichtband van 660 nm. De Yunnan Spirulina Industry Base maakt gebruik van 680 nm smalband-LED, waardoor de opbrengst per eenheid oppervlak meer dan 120 g/m²/jaar kan bedragen en de traditionele zonnecultuur 300% efficiënter wordt.
Cyanobacteriën: Er is een bepaalde hoeveelheid rood licht die ze kunnen absorberen bij 620 nm, maar te veel rood licht kan gemakkelijk algenbloei veroorzaken. In het behandelingsproject van het Taihu-meer remt blauw licht van 450 nm de activiteit van fotosynthesesysteem II in cyanobacteriën, en door het combineren van rood licht van 660 nm wordt fycobiliproteïne afgebroken. Dit vermindert de biomassa van cyanobacteriën met 75% en verhoogt het aandeel nuttige algen zoals groene algen en diatomeeën tot 80%.
2. Het proces waarbij lichtconcurrentie wordt gestopt in groepen algen
In de gemengde algenkweek is het reguleren van de lichtkwaliteit een belangrijke manier geworden om de populatiestructuur te verbeteren. Bij het kweken van microalgen als aas wordt bijvoorbeeld ‘lichte domesticatie’ uitgevoerd door het LED-spectrum in realtime te veranderen:
Tijdens de zaailingfase wordt vooral blauw licht van 450 nm gebruikt (PUR is verantwoordelijk voor 70%) om de groei van draadalgen te stoppen en de voortplanting van eencellige algen aan te moedigen.
Gebruik tijdens de logaritmische groeifase rood licht van 660 nm als de dominante bron (PUR is verantwoordelijk voor 80%) om de celdeling van algen te stimuleren.
Stabiele periode: toevoeging van 550 nm groen licht (PUR is goed voor 10%) om het foto-inhibitie-effect te verminderen en de algenproductiecyclus te verlengen.
Dit plan verhoogt het percentage algen van hoge-kwaliteit zoals Chlorella en Scenedesmus van 60% naar 92% en verlaagt de filterkosten met 30%.
3, Het pad naar technische implementatie en technologische innovatie
1. Slim lichtomgevingscontrolesysteem
Door IoT-technologie te gebruiken om PAR-sensoren, spectrale aanpassingsmodules en apparaten voor het monitoren van biologisch gedrag met elkaar te verbinden, is het mogelijk om de lichtomstandigheden in realtime te optimaliseren. Een oceanarium in Sanya maakt bijvoorbeeld gebruik van een AI-lichtomgevingssysteem om de spectrale componenten en de lichtintensiteitsverdeling in realtime te veranderen op basis van gegevens zoals hoe helder het koraal is en hoe snel de vissen zwemmen.
Dagmodus: 6500K wit licht met 10% rood licht toegevoegd, PAR blijft tussen 200 en 250 μmol/m²/s; Nachtmodus: 2700K warm licht met 5% blauw licht, PAR neemt af tot 50 μ mol/m²/s;
Noodmodus: Wanneer de stroom uitvalt, schakelen de rode veiligheidslichten automatisch in bij weinig licht (minder dan of gelijk aan 20 μmol/m²/s) om de belasting van levende wezens tot een minimum te beperken.
Deze techniek verhoogt het overlevingspercentage van levende wezens tot 98% en vermindert het energieverbruik met 40%.
2. Gebruik van optische materialen die de biologie nabootsen
De nieuwe nanocoatingtechniek kan nabootsen hoe natuurlijke waterlichamen het spectrum van licht beïnvloeden. Een winkelcentrum in Shenzhen heeft een fotonische kristalfilm op het glas van een aquarium aangebracht. Hierdoor wordt de dempingssnelheid van de roodlichtband (620–750 nm) met 60% verminderd, waardoor de verlichting in diepwatergedeelten veel beter wordt. Werk met een LED-array met instelbare focus om een ​​onderwater PAR-gradiëntverdeling te verkrijgen:
De toplaag (0–30 cm) heeft een PAR van 300 μmol/m²/s, waarbij rood licht 70% van het totaal uitmaakt. De middelste laag (30–60 cm) heeft een PAR van 150 μmol/m²/s, waarbij rood licht 50% van het totaal uitmaakt. De onderste laag (60–90 cm) heeft een PAR van 75 μmol/m²/s, waarbij rood licht 30% van het totaal uitmaakt.
Dit ontwerp zorgt ervoor dat positieve waterplanten klein blijven op locaties in diep water, wat betekent dat ze niet zoveel extra licht nodig hebben.
3. Samen werken aan design over de vakgebieden heen
Lichtingenieurs moeten een standaardmanier opzetten om met mariene biologen en kleurenpsychologen samen te werken. Door middel van een gezamenlijk teamonderzoek werd een vijf-sterrenhotel in Hangzhou ontdekt dat:
Toen anemoonvissen een mix van 470 nm blauw licht en 590 nm geel licht kregen in plaats van gewoon wit licht, legden ze 2,3 keer meer eieren. Toen koraalgele algen 6500K wit licht en 10% paars licht (400-420 nm) kregen, steeg de expressie-efficiëntie van fluorescerend eiwit daarin met 40%.
Door het primaire spectrum elke twee uur te veranderen, steeg de gedragsdiversiteitsindex van vissen met 31%.